Перспективы развития солнечной энергетики в России

Введение
В современном мире существует огромное количество различного оборудования, разработка которого предназначена с целью эффективной передачи электрической энергии. Представителями данной отрасли оборудования являются: оборудование для защиты систем электрического снабжения, стационарные и транспортируемые анализаторы качества электроэнергии, аппаратные модули контроля качества, автономные источники энергии и др.
Многие страны нуждаются в высоком качестве вырабатывания и передачи электроэнергии с целью более эффективного функционирования и рационального планирования ресурсов систем транспортировки нефти и газа, работы различных предприятий и др. Исходя из данного факта, подтверждается высокая актуальность проблемы передачи электроэнергии на сегодняшний день [1].
Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.
Солнечная энергия - это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (Солнце будет «светить» ещё примерно 4 млрд лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ.
1 Основные сведения о солнечных энергетических установках
1.1 Понятие солнечной энергетики
Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. 
Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой или солью для последующего использования нагретой воды для отопления, горячего водоснабжения или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч света. Этот луч используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости [2].
Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в π раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.
Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.
1.2 Классификация и особенности солнечных энергетических установок
Солнечная энергия универсальна с точки зрения возможностей её использования человеком для своих нужд. Солнечное излучение может быть относительно легко преобразовано в тепловую, механическую и электрическую энергии, а также его используют в химических и биологических процессах. Технологические процессы преобразования и использования солнечного излучения по своей сложности могут быть очень разными. Солнечные энергетические установки очень сильно отличаются друг от друга своими габаритами: от микроминиатюрных источников питания микрокалькуляторов до огромных технических конструкций в башенных СЭС высотой 100 м и весом в сотни тонн.
Существует множество различных технологических схем преобразования солнечного излучения в электрическую энергию на основе широко известных в технике тепловых циклов (Ренкина или Карно), теплоэлектрических и термоэмиссионных процессов.
В связи с выше сказанным первоочередное значение приобретает задача четкой классификации СЭУ, проводимая в целях облегчения поиска путей дальнейшего повышения их эффективности.
СЭУ классифицируют:
По виду использования и преобразования солнечного излучения в другие виды энергии.
Солнечное излучение преобразуется в другие виды энергии, используется в химических и биологических процессах. При использовании СЭУ в электроэнергетике и теплоэнергетике их можно разделит на три категории, определяемые видом их применения для определенных потребителей энергии:
предназначенные для работы в большой ОЭС или просто ЭЭС;
работающие на локальную сеть;
предназначенные для энергообеспечения автономного потребителя с разной категорией по надежности энергоснабжения.
В зависимости от этого существенно меняются требования к информационному обеспечению гелиоэнергетических расчетов самой системы энергоснабжения, включающей в себя СЭУ или СЭС. В зависимости от категории использования СЭУ могут появиться требования об обязательном их сочетании с системой аккумуляции энергии любого эффективного вида или с другими видами энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии. Например, это касается работы СЭУ на автономного потребителя, в том числе и повышенной категории надежности, что потребует наличия не только суточного, но и более длительного цикла аккумуляции энергии. В системных больших солнечных энергетических станциях подобные требования обычно отсутствуют, если при этом не появляется необходимость поддержания в рабочем состоянии всего вспомогательного хозяйства СЭУ или в периоды отсутствия солнечного излучения и связи с энергосистемой

. Здесь помимо обычных систем аккумуляции энергии могут быть использованы и традиционные энергоустановки на органическом топливе [3].
По месту размещения на Земле.
СЭУ по месту размещения подразделяются на наземные и космические. Системы защиты СЭУ у них будут принципиально разными: в космосе – защита приемной площадки от жесткого космического излучения, разрушающего сами приемные площадки; на Земле – охлаждение СЭУ, от пыли. Учет цикличности, а также заметного случайного характера процесса солнечного излучения на поверхности Земли, может потребовать обязательного сочетания СЭУ с системой аккумуляции энергии в зависимости от категории использования СЭУ.
По стационарности.
В данном случае стационарные энергетические установки бывают переносные, передвижные и стационарные, отличающиеся массогабаритными характеристиками и сложностью конструктивного исполнения. Также существенно отличаются друг от друга по надежностным характеристикам.
По виду ориентации на Солнце.
С постоянной (неизменной) ориентацией на поверхности Земли и системой слежения за Солнцем, применяемой для максимизации солнечного излучения на приемную площадку. К постоянно ориентированным на Солнце СЭУ относятся энергоустановки бытового назначения, размещенные на крышах строений, на Земле с ориентацией на юг под постоянным углом к горизонту и на специальных конструкциях-каркасах для размещения СЭУ.
По технической сложности СЭУ.
СЭУ можно разделить на простейшие и сложные как по техническому циклу, так и по исполнению. К простым относят: нагреватели, подогреватели воздуха, сушилки продуктов с/х, отопительные системы, опреснители воды и т. д.
Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света
Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90хС. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.
1.3 Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики
Достоинства:
Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.
Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Недостатки:
Зависимость от погоды и времени суток.
Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии.
При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности.
Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.
Нагрев атмосферы над электростанцией.
Необходимость использования больших площадей.
2 Перспективы развития солнечной энергетики в России
2.1 Внедрение передовых технологий в области передачи электрической энергии
Современные «умные» технологии радикально изменят все экосистемы, производство, логистику, энергетику. К примеру, в сфере передачи электроэнергии или транспортировки углеводородов, такие приборы уже сегодня могут заранее предупреждать о возможном выходе оборудования из строя, определять время, когда пора сделать техобслуживание или предупредительный ремонт. Это исключает аварийные остановки, которые были неизбежными при старой модели, позволяет избежать простоев и связанных с ними огромных финансовых потерь, а также повышают уровень безопасности.
Новые технологии в энергетике применяются с целью развития промышленного производства, ведь с каждым днем проблема энергии, ее получения для нужд экономики обостряется и требует новых подходов к решению задач энергетической безопасности каждого государства. Единственный рациональный путь – проведение исследований и внедрение инновационных методов производства энергии [4].
Частными примерами инновационных технологий в области передачи электроэнергии являются:
- Подземные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE).
Данная технология представляет большой потенциал в области электропередачи на сегодняшний день. Именно в сторону данных кабелей отдается предпочтение в передаче постоянного тока. Основной проблемой внедрения данной технологии является высокая себестоимость. Однако данный барьер может быть сокращен при рассмотрении всех видов выгод, получаемых посредством использования данной технологии.
- Линия с элегазовой изоляцией (GIL).
Данная технология преимущественно используется в малогабаритных установках. Такая линия передачи предоставляет возможность передачи значительно большую мощность относительно стандартных XLPE-кабелей. Основным недостатком данной технологии является высокий выброс элегаза (фторида серы), пагубно сказывающегося на экологической обстановке.
- Высокотемпературные проводники (HTCs).
Данная технология имеет возможность выдерживать более высокие рабочие температуры относительно существующих и применяющихся на сегодняшний день проводников. Высокотемпературные проводники способны повысить пропускную способность без модификации опор ЛЭП.
В электроэнергетике изменения происходят сразу по нескольким направлениям: и в производстве (более широко применяются энергия солнца, ветра, воды, геотермальная энергия), и в потреблении (использование накопителей энергии, создание энергоэффективных зданий, переход на электротранспорт).
Накопители бывают нескольких типов: химические (литий-ионные и пр.); тепловые (molten salt, CSP – станции, которые накапливают тепловую энергию солнца); механические (ГАЭС, воздушно-аккумулирующие установки, такие, например, как расположенная в г